تآكل المعادن

عندما تكون المادة المعدنية على اتصال مع الوسط المحيط، يتم تدمير المادة بسبب التأثير الكيميائي أو الكهروكيميائي. تآكل المعادن هو عملية تلقائية ديناميكية حرارية، حيث يتم تحويل المعدن ذو حالة الطاقة العالية إلى مركب معدني ذو حالة منخفضة الطاقة. من بينها، ظاهرة التآكل في صناعة البترول والبتروكيماويات أكثر تعقيدًا، بما في ذلك التآكل الكهروكيميائي للمحلول الملحي، H₂S وشركاه₂.
طبيعة معظم عمليات التآكل هي كهروكيميائية. تُستخدم الخواص الكهربائية لواجهة محلول المعدن/الإلكتروليت (الطبقة الكهربائية المزدوجة) على نطاق واسع في دراسات آلية التآكل، وقياس التآكل، ومراقبة التآكل الصناعي. الطرق الكهروكيميائية المستخدمة بشكل شائع في أبحاث تآكل المعادن هي: إمكانات الدائرة المفتوحة (OCP)، منحنى الاستقطاب (مخطط تافيل)، التحليل الطيفي للمقاومة الكهروكيميائية (EIS).

1. تقنيات دراسة التآكل

1.1OCP

على قطب معدني معزول، يتم إجراء تفاعل أنود واحد وتفاعل كاثود بنفس السرعة في نفس الوقت، وهو ما يسمى اقتران تفاعل القطب. ويسمى رد فعل الاقتران المتبادل "رد فعل الاقتران"، ويسمى النظام بأكمله "النظام المترافق". في النظام المترافق، يتداخل تفاعل القطبين مع بعضهما البعض، وعندما تتساوى جهود القطب، لا تتغير جهود القطب مع مرور الوقت. تسمى هذه الحالة "الحالة المستقرة"، ويسمى الإمكانات المقابلة "الإمكانية المستقرة". في نظام التآكل، يُطلق على هذه الإمكانية أيضًا اسم "احتمال التآكل (الذاتي) E_تصحيح"، أو" إمكانات الدائرة المفتوحة (OCP) "، وتسمى كثافة التيار المقابلة" كثافة تيار التآكل (الذاتية) i_تصحيح". بشكل عام، كلما كانت إمكانات الدائرة المفتوحة إيجابية، كلما زادت صعوبة فقدان الإلكترونات والتآكل، مما يشير إلى أن مقاومة المادة للتآكل أفضل.
يمكن استخدام محطة العمل الكهروكيميائية CS Potentiostat/galvanostat لمراقبة إمكانات القطب الكهربائي في الوقت الحقيقي للمادة المعدنية في النظام لفترة طويلة. بعد استقرار الإمكانات، يمكن الحصول على إمكانات الدائرة المفتوحة للمادة.

1.2 منحنى الاستقطاب (مخطط تافيل)

وبشكل عام، فإن ظاهرة انحراف جهد القطب عن جهد التوازن عندما يمر تيار كهربائي تسمى "الاستقطاب". في النظام الكهروكيميائي، عندما يحدث الاستقطاب، يسمى التحول السلبي لجهد القطب من جهد التوازن "الاستقطاب الكاثودي"، ويسمى التحول الإيجابي لجهد القطب من جهد التوازن "الاستقطاب الأنودي".
للتعبير عن أداء الاستقطاب لعملية قطب كهربائي بشكل كامل وبديهي، من الضروري تحديد الجهد الزائد أو جهد القطب بشكل تجريبي كدالة لكثافة التيار، وهو ما يسمى "منحنى الاستقطاب".
أنا_تصحيحيمكن حساب المادة المعدنية بناءً على معادلة ستيرن-جيري.

B هو معامل ستيرن جيري للمادة، R_صهي مقاومة الاستقطاب للمعادن.

مبدأ الحصول على i_تصحيحمن خلال طريقة استقراء التافل
يمكن لبرنامج Corrtest CS studio أن يتناسب تلقائيًا مع منحنى الاستقطاب. انحدار التافيل على قطعة الأنود وقطعة الكاثود، أي ب_أو ب_جيمكن حسابها.أنا_تصحيحويمكن أيضا الحصول عليها. واستنادا إلى قانون فاراداي وبالجمع مع المعادل الكهروكيميائي للمادة، يمكننا تحويله إلى معدل تآكل المعدن (مم / أ).

1.3 إيس

تكنولوجيا المعاوقة الكهروكيميائية، والمعروفة أيضًا باسم مقاومة التيار المتردد، تقيس تغير الجهد (أو التيار) للنظام الكهروكيميائي كدالة للوقت عن طريق التحكم في التيار (أو الجهد) للنظام الكهروكيميائي كدالة للتغير الجيبي مع مرور الوقت. يتم قياس مقاومة النظام الكهروكيميائي، علاوة على ذلك، تتم دراسة آلية تفاعل النظام (الطبقة المتوسطة/الطلائية/المعدن)، ويتم تحليل المعلمات الكهروكيميائية لنظام قياس التركيب.
طيف المعاوقة عبارة عن منحنى مرسوم من بيانات المعاوقة التي يتم قياسها بواسطة دائرة اختبار بترددات مختلفة، ويسمى طيف المعاوقة لعملية القطب الكهربائي بطيف المعاوقة الكهروكيميائية. هناك أنواع عديدة من طيف EIS، ولكن الأكثر استخدامًا هي مؤامرة نيكويست ومؤامرة بود.

2. مثال التجربة

وبأخذ مقال نشره مستخدم يستخدم محطة العمل الكهروكيميائية CS350 كمثال، تم تقديم مقدمة ملموسة لطريقة نظام قياس التآكل المعدني.
قام المستخدم بدراسة مقاومة التآكل لدعامات سبائك Ti-6Al-4V المحضرة بالطريقة التقليدية (العينة رقم 1)، وطريقة الذوبان بالليزر الانتقائي (العينة رقم 2)، وطريقة ذوبان شعاع الإلكترون (العينة رقم 3). يتم استخدام الدعامة لزرعها في الإنسان، وبالتالي فإن وسط التآكل هو محاكاة سائل الجسم (SBF). يجب أيضًا التحكم في درجة حرارة النظام التجريبي عند 37 درجة مئوية.

أداة:CS350 الجهد / الجلفانوستات
الجهاز التجريبي:CS936 خلية التآكل المسطحة المغطاة، فرن تجفيف بدرجة حرارة ثابتة
الأدوية التجريبية:الأسيتون، SBF، راتنجات الايبوكسي المعالجة بدرجة حرارة الغرفة
المتوسطة التجريبية:
محاكاة سوائل الجسم (SBF): NaCl-8.01، KCl-0.4، CaCl₂-0.14، ناهكو₃-0.35، خ₂ص₄-0.06، الجلوكوز -0.34، الوحدة: جم/لتر
عينة (نحن)
دعامة سبيكة Ti-6Al-4V مقاس 20×20×2 مم،
مساحة العمل المكشوفة 10×10 مم
المنطقة غير الخاضعة للاختبار مغلفة/مختومة باستخدام راتنجات الإيبوكسي المعالجة بدرجة حرارة الغرفة.
القطب المرجعي (إعادة):قطب الكالوميل المشبع
القطب المضاد (CE):قطب التوصيل الكهربائي CS910 Pt

2.1 خطوات التجربة وإعداد المعلمات

2.1.1 OCP
قبل الاختبار. يجب صقل قطب العمل من الخشن إلى الناعم (360 شبكة، 600 شبكة، 800 شبكة، 1000 شبكة، 2000 شبكة بالترتيب) حتى يصبح السطح أملسًا. بعد التلميع، اشطفه بالماء المقطر ثم قم بإزالة الشحوم باستخدام الأسيتون، ثم ضعه في فرن تجفيف بدرجة حرارة ثابتة وجففه عند 37 درجة مئوية للاستخدام.
تجميع العينة على خلية التآكل، وإدخال سائل الجسم المحاكى في خلية التآكل، وإدراج قطب الكالوميل المشبع (SCE) مع جسر الملح في خلية التآكل المسطحة. تأكد من أن طرف الشعيرات الدموية Luggin يواجه سطح القطب الكهربائي العامل. يتم التحكم في درجة الحرارة عند 37 درجة مئوية عن طريق دوران الماء.

قم بتوصيل الأقطاب الكهربائية مع الجهد بواسطة كابل الخلية.
تجربة → الاستقطاب المستقر → OCP

يجب عليك إدخال اسم ملف للبيانات، وتعيين الوقت الإجمالي للاختبار، وبدء الاختبار. يتغير OCP للمادة المعدنية في المحلول ببطء، ويستغرق فترة طويلة نسبيًا للحفاظ على استقراره. لذا يُقترح تحديد وقت لا يقل عن 3000 ثانية.

2.1.2 منحنى الاستقطاب

تجربة ← الاستقطاب المستقر ← الديناميكية الديناميكية

قم بتعيين الإمكانات الأولية والإمكانات النهائية ومعدل المسح، وحدد وضع الإخراج المحتمل كـ "مقابل". المكتب الشريف للفوسفاط”.
يمكن تحديد "الاستخدام" لاختيار الرأس E#1 والرأس E#2. إذا لم يتم تحديده، فلن يمر الفحص عبر الإمكانات المقابلة.
هناك ما يصل إلى 4 نقاط ضبط محتملة للاستقطاب المستقل. يبدأ المسح من الجهد الأولي إلى "الرأس E#1" و"الرأس E#2" وأخيراً إلى الجهد النهائي. انقر فوق خانة الاختيار "تمكين" لتشغيل أو إيقاف تشغيل "الإمكانات المتوسطة 1" و"الإمكانات المتوسطة 2". إذا لم يتم تحديد خانة الاختيار، فلن يمرر الفحص هذه القيمة وسيقوم بتعيين الفحص المحتمل على الفحص التالي.
من الجدير بالذكر أن قياس منحنى الاستقطاب لا يمكن إجراؤه إلا بشرط أن يكون OCP مستقرًا بالفعل. عادةً بعد مرور 10 دقائق من الهدوء، سنفتح وظيفة OCP المستقرة بالنقر فوق ما يلي:

→

سيبدأ البرنامج الاختبار تلقائيًا بعد أن يكون التقلب المحتمل أقل من 10 مللي فولت/دقيقة
في مثال التجربة هذا، قام المستخدم بتعيين الجهد المحتمل -0.5~1.5 فولت (مقابل OCP)
يمكنك ضبط الشرط لإيقاف الفحص أو عكسه. يستخدم هذا بشكل أساسي في تأليب القياس المحتمل وقياس منحنى التخميل.

2.2 النتائج
2.2.1 OCP
من خلال اختبار إمكانات الدائرة المفتوحة يمكننا الحصول على إمكانية التآكل الحره_تصحيحوالتي يمكننا من خلالها الحكم على مقاومة التآكل للمادة المعدنية. بشكل عام، وأكثر إيجابيةه_تصحيحهو أنه كلما تآكلت المادة أكثر صعوبة.

من الرسم البياني يمكننا أن نستنتج أن مقاومة التآكل للعينتين رقم 1 و2 أفضل من العينة رقم 3.

2.2.2 تحليل مؤامرة التافيل (قياس معدل التآكل)
استقطاب هذه التجربة هو كما يلي:

كما هو موضح، من قيمة معدل التآكل المحسوبة يمكننا الحصول على نفس النتيجة التي حصلنا عليها من خلال قياس OCP. يتم حساب معدل التآكل بواسطة مخطط تافل. يمكننا أن نرى أن قيم معدل التآكل تتوافق مع الاستنتاج الذي حصلنا عليه بطريقة OCP.
استناداً إلى مخطط تافل، يمكننا الحصول على كثافة تيار التآكلأنا_تصحيحمن خلال أداة التحليل الملائمة المدمجة في برنامج CS studio الخاص بنا. ثم وفقًا لمعلمات أخرى مثل منطقة القطب الكهربائي العامل، وكثافة المادة، والوزن المكافئ، يتم حساب معدل التآكل.

الخطوات هي:
قم باستيراد ملف البيانات بالنقر فوق

تركيب البيانات

انقر فوق معلومات الخلية. ، وأدخل القيمة وفقًا لذلك.

إذا قمت بالفعل بتعيين المعلمات في إعداد الخلية والقطب الكهربائي قبل الاختبار، فلن تحتاج إلى تعيين معلومات الخلية. هنا مرة أخرى.
انقر فوق "تافل" لتركيب التافيل. اختر تركيب Tafel التلقائي أو التركيب يدويًا لبيانات قطعة الأنود/قطعة الكاثود، ثم يمكن الحصول على كثافة تيار التآكل، وإمكانية التآكل الحر، ومعدل التآكل. يمكنك سحب النتيجة المناسبة إلى الرسم البياني.

3. قياس EIS
التجارب ← المعاوقة ← EIS مقابل التردد

تحليل إيس

EIS للفولاذ الكربوني Q235 في محلول NaCl 3.5% هو كما يلي:

يتكون مخطط نيكويست أعلاه من قوس السعة (المميز بالإطار الأزرق) وممانعة واربورغ (المميزة بالإطار الأحمر). بشكل عام، كلما كان قوس السعة أكبر، كانت مقاومة المادة للتآكل أفضل.

تركيب الدائرة المكافئة لنتائج EIS من الفولاذ الكربوني Q235
الخطوات هي كما يلي:
ارسم الدائرة المكافئة لقوس السعة - استخدم النموذج في "التركيب السريع" للحصول على R1، C1، R2.
ارسم الدائرة المكافئة لجزء ممانعة Warburg - استخدم النموذج الموجود في "الملاءمة السريعة" للحصول على القيمة المحددة لـ Ws.
اسحب القيم إلى الدائرة المعقدة ← غيّر جميع أنواع العناصر لتصبح "مجانية+" ← انقر على "مناسب".
من النتائج، نرى أن الخطأ أقل من 5%، مما يشير إلى أن الدائرة المكافئة المحددة ذاتيًا التي نرسمها تتوافق مع دائرة المعاوقة للقياس الفعلي. تتوافق مؤامرة Bode المناسبة بشكل عام مع المؤامرة الأصلية.